“量子壓縮”升級LIGO 人類天文學(xué)開啟了“引力波時代”

2015年9月，位于美國的激光干涉重力波觀測儀(LIGO)首次探測到引力波，驗證了愛因斯坦提出的“百年猜想”，人類天文學(xué)開啟了“引力波時代”。

日前，來自麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、澳大利亞國立大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊在《物理評論快報》撰文披露，他們?yōu)長IGO安裝了名為“量子真空壓縮器”的神秘武器，使其探測能力顯著提升。據(jù)麻省理工學(xué)院官方報道，今年4月以來，在該設(shè)備的“加成”下，LIGO已經(jīng)數(shù)十次捕獲引力波信號。

量子噪聲干擾LIGO測量

LIGO使用“L”型的探測器來感知引力波。每個探測器由兩個2.5英里(約4公里)長、相互垂直的“長臂”——真空管組成。光源發(fā)射一束激光，經(jīng)過分光鏡后分成兩半，各自進(jìn)入一條長臂，并通過其末端的反射鏡反射后原路返回。

根據(jù)激光干涉原理，這兩束同時返回的激光將相互抵消，探測器接收不到信號。但當(dāng)引力波撞擊地球時，它會扭曲時空——短暫地使LIGO“一條胳膊長、一條胳膊短”，這種有節(jié)奏的拉伸和擠壓變形一直持續(xù)到引力波通過為止。此時，兩束激光無法同時返回，不會相互抵消，探測器將接收到返回的閃光信號。

但是，“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。正如麻省理工學(xué)院研究生、論文主要作者瑪吉·謝所說，激光并非連續(xù)的光流，而是由單個光子組成的嘈雜列隊，每個光子都受到真空波動的影響。光子平均“準(zhǔn)時”到達(dá)探測器，但有些很早，有些很晚，形成一條有一定寬度的“鐘形曲線”。

當(dāng)引力波經(jīng)過時，LIGO手臂的長度變化不到質(zhì)子寬度的萬分之一。探測系統(tǒng)要足夠敏感才能準(zhǔn)確測量激光信號，這導(dǎo)致部分未準(zhǔn)時到達(dá)的光子也會造成閃光，產(chǎn)生假的引力波信號，這就是所謂的“量子噪聲”。

為了避免“報假警”，LIGO設(shè)定只有手臂長度變化超出量子噪聲范圍才判斷為引力波到來，這無疑限制了它對距離更遠(yuǎn)、強(qiáng)度更弱的引力波探測。

量子壓縮減小量子噪聲

量子壓縮是20世紀(jì)80年代提出的概念，其基本思想是量子真空噪聲可以表示為沿相位和振幅兩個主軸的不確定性球。這個球體就像一個應(yīng)力球，可以被壓縮。假如沿相位軸收縮球體，相位狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)時間的不確定性將減小，但振幅狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)數(shù)量的不確定性將增加。

由于時間不確定性是LIGO量子噪聲的主要影響因素，所以，沿相位方向壓縮可以使探測器對引力波更加敏感。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊從15年前就開始設(shè)計“量子真空壓縮器”，以揭示更微弱、更遙遠(yuǎn)的引力波信號。2010年，早期的壓縮器在位于漢福德的探測器上進(jìn)行測試，取得了一定的效果。

之后，研究人員逐步改進(jìn)“量子真空壓縮器”。其核心是一個光學(xué)參量振蕩器，它是一個蝴蝶結(jié)形狀的裝置，中心是一小塊晶體，四周由反射鏡包圍。激光通過晶體原子時，其光子的振幅和相位將重新排列，以達(dá)到“壓縮”真空，減小光子到達(dá)時間波動的目的。

安裝“量子真空壓縮器”后，LIGO的探測距離延長15%、超過4億光年，引力波的發(fā)現(xiàn)速度有望提高50%，達(dá)到每周都可能發(fā)現(xiàn)新引力波的階段。LIGO的“同事”、位于意大利的“處女座”(Virgo)引力波探測器也已經(jīng)安裝類似設(shè)備，探測距離提高5%—8%，引力波發(fā)現(xiàn)速度增加16%—26%。此外，壓縮器有助于精確定位引力波源的位置，方便天文學(xué)家進(jìn)行后續(xù)觀測。

麻省理工學(xué)院卡弗里天體物理學(xué)與空間研究所首席科學(xué)家麗莎·巴索蒂透露，由于此次改進(jìn)，LIGO的下一次升級可以將引力波探測速度提高5倍以上。

關(guān)鍵詞： 量子壓縮 LIGO